TECNOLOGIE AVANZATE PER LA PRODUZIONE DI MATERIALI COMPOSITI E PLASTICI

Il corso fornisce allo studente una conoscenza approfondita delle tecnologie avanzate per la produzione di materiali plastici e compositi, con particolare riferimento ai processi di manifattura additiva e alle principali tecniche di fabbricazione dei materiali compositi. Attraverso lezioni teoriche, attività di laboratorio ed esercitazioni pratiche, lo studente acquisirà competenze nella progettazione, realizzazione e caratterizzazione di componenti mediante tecnologie innovative, sviluppando un approccio sperimentale orientato alla risoluzione di problematiche ingegneristiche.

Le competenze acquisite sono spendibili nell'ambito della progettazione, produzione e trasformazione dei materiali per applicazioni ingegneristiche, con attenzione alla sostenibilità, all'efficienza energetica e all'innovazione tecnologica, in accordo con gli obiettivi 7, 9, 11, 12 e 13 dell'Agenda 2030 delle Nazioni Unite per lo sviluppo sostenibile.

 Conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente conoscerà:

• i principi fondamentali delle tecnologie di manifattura avanzata per materiali plastici e compositi;
• i principali processi di manifattura additiva e le tecniche di produzione dei materiali compositi;
• le relazioni tra materiali, processi produttivi, progettazione e prestazioni dei componenti;
• le metodologie di progettazione e prototipazione mediante tecnologie di manifattura additiva;
• le principali metodologie di caratterizzazione dei materiali e dei manufatti.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente sarà in grado di:

• selezionare materiali, processi produttivi e tecnologie di fabbricazione in funzione delle specifiche progettuali;
• utilizzare software dedicati alla preparazione dei modelli per la stampa 3D e alla gestione dei processi di manifattura additiva;
• realizzare prototipi mediante tecnologie di manifattura additiva e processi di fabbricazione dei materiali compositi;
• sviluppare un caso studio applicando metodologie di progettazione, produzione e selezione dei materiali, operando efficacemente all'interno di gruppi di lavoro multidisciplinari.

Autonomia di giudizio

Attraverso le attività di laboratorio, l'utilizzo di software dedicati e lo sviluppo del caso studio, lo studente maturerà la capacità di valutare criticamente differenti soluzioni tecnologiche, selezionare materiali e processi produttivi in funzione delle prestazioni richieste e motivare le proprie scelte progettuali sulla base di criteri tecnici, economici e di sostenibilità.

Abilità comunicative

Lo studente sarà in grado di descrivere con linguaggio tecnico appropriato i processi di fabbricazione e le scelte progettuali adottate, presentare e discutere i risultati delle attività sperimentali e del caso studio sviluppato durante il corso e confrontarsi efficacemente con specialisti del settore.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisirà gli strumenti necessari per aggiornare autonomamente le proprie conoscenze attraverso la consultazione della letteratura tecnico-scientifica, seguire l'evoluzione delle tecnologie di manifattura avanzata dei materiali plastici e compositi e applicare criticamente nuove soluzioni tecnologiche nell'ambito della progettazione e della produzione di componenti innovativi.

L'insegnamento prevede 3 CFU di lezioni frontali, finalizzate all'acquisizione dei fondamenti delle tecnologie avanzate per la produzione di materiali plastici e compositi, con particolare riferimento ai processi di manifattura additiva, alle tecnologie di trasformazione dei materiali polimerici e ai processi di produzione dei materiali compositi.

Successivamente, il corso comprende 3 CFU di attività pratiche e di laboratorio, dedicate all'utilizzo di strumenti e software per la preparazione dei processi di manifattura additiva (ad es. software di slicing), alla realizzazione di prototipi mediante stampa 3D, all'impiego di estrusori e alla produzione di manufatti in materiale composito e allo sviluppo di un caso studio ingegneristico. Tali attività consentono agli studenti di applicare le conoscenze acquisite alla progettazione, produzione e caratterizzazione di componenti innovativi, sviluppando capacità di analisi critica, problem solving e supporto alle decisioni progettuali.

Il corso è English friendly: le slide didattiche e parte del materiale di supporto sono disponibili anche in lingua inglese.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

A) Teoria

1a.Tecniche di Manifattura Additiva per materiali polimerici: Manifattura Additiva per Estrusione (FFF, FDM); Stampa 3D mediante polimerizzazione di resina (DLP; LCD; LCA; InkJet Printing); Sinterizzazione Laser (SLS).

2a. Processi di lavorazione dei materiali polimerici: Estrusione, Stampaggio ad Iniezione, Stampaggio per Soffiaggio, Stampaggio per compressione.

3a. Miscelazione reattiva dei polimeri

4a. Reologia e cinetica di reazione dei materiali termoindurenti

5a. Processi di produzione dei materiali compositi.

B) Esperienze di Laboratorio

1b) Esercitazioni di manifattura additiva: Impostazione del processo di stampa mediante software dedicati; Esperimenti di stampa 3D su geometrie semplici; Esempi di stampa 3D su geometrie complesse (casi studio)

2b) Esercitazioni di estrusione: Preparazione di una miscela polimerica binaria; Preparazione di una compound polimerico rinforzato. 

3b) Esercitazione di stampaggio ad iniezione: preparazione di campioni ad "osso di cane" o altra geometria semplice utilizzano le formulazioni preparate al punto 2b).

4b) Esercitazioni di realizzazione manufatti in materiale fibrorinforzato: preparazione di pannelli, o geometrie semplici, utilizzando la tecnica del Hand Lay Up o del VARTM. 

C) Caso Studio: Lo studente selezionerà almeno un caso studio da realizzare autonomamente.

I seguenti libri di testo sono solo letture consigliate. Slide e documenti saranno forniti agli studenti durante il corso.

1) I. Gibson l D. W. Rosen l B. Stucker "Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing", Springer, ISBN: 978-1-4419-1119-3

2) Tim A. Osswald and George Mendez "Materials Science of Polymers for Engineers", Hanser.

3) Raju S. Davé and Alfred C. Loos, "Processing of Composites", Hanser.

La verifica dell'apprendimento del modulo si articola in due prove scritte in itinere e in un colloquio orale.
Le prove in itinere consistono in quesiti a risposta multipla e a risposta aperta sugli argomenti progressivamente trattati durante il corso e sono finalizzate a verificare la comprensione dei contenuti teorici e la capacità di applicarli ai processi di produzione dei materiali plastici e compositi.
Gli studenti che sostengono e superano entrambe le prove in itinere accedono direttamente al colloquio orale, durante il quale è prevista la discussione del caso studio sviluppato nel corso delle attività di laboratorio. La discussione è finalizzata a valutare la capacità di integrare le conoscenze acquisite nella progettazione, selezione dei materiali, scelta dei processi produttivi e realizzazione del prototipo.
Gli studenti che non sostengono o non superano una o entrambe le prove in itinere sostengono un colloquio orale sull'intero programma del modulo, comprendente anche la discussione del caso studio.
La valutazione terrà conto della conoscenza dei contenuti, della pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate, della capacità di applicare le conoscenze acquisite allo sviluppo del caso studio, della capacità di collegare i diversi argomenti del programma, della proprietà del linguaggio tecnico e della chiarezza espositiva.
La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.
A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici e alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'Integrazione Attiva e Partecipata – Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Si riporta di seguito un esempio di Test concettuale

Quale delle seguenti affermazioni descrive meglio la relazione tra l'estrusione AM di polimeri rispetto alla formatura di polimeri convenzionale (ad esempio, stampaggio a iniezione)?

Quali materiali vengono tipicamente utilizzati nel processo di produzione additiva per estrusione?

I materiali termoplastici sono considerati la materia prima principale per l'estrusione AM. I materiali termoplastici possono essere riscaldati ed estrusi, stampati o altrimenti lavorati più volte con una degradazione minima del materiale (un requisito per l'estrusione basata sulla fusione). Al contrario, la reazione chimica che crea le plastiche termoindurenti non è reversibile al riscaldamento, il che ne impedirebbe l'utilizzo nei processi di estrusione (sebbene esistano alcune eccezioni, come il processo di Massivit3D, ma questo è atipico).

Le materie prime più comunemente utilizzate per i sistemi desktop di estrusione AM di polimeri sono sotto forma di?

L'estrusione è uno dei processi AM più versatili, il che la rende adatta a un'ampia varietà di applicazioni. Quale applicazione non rientra tra gli usi commerciali più comuni dell'AM per estrusione? Suggerimento: considerare la finitura superficiale, le proprietà meccaniche e altre caratteristiche dei componenti prodotti con l'AM per estrusione.